CẤU TRÚC TINH THỂ: CẤU TRÚC, CÁC LOẠI VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Các cấu trúc tinh thể là một trong những quốc gia vững chắc rằng các nguyên tử, các ion hoặc phân tử có thể áp dụng trong tự nhiên, được đặc trưng bằng việc có một trật tự không gian cao. Nói cách khác, đây là bằng chứng về "kiến trúc vật thể" xác định nhiều vật thể có bề ngoài bằng thủy tinh và sáng bóng.

Điều gì thúc đẩy hoặc lực nào chịu trách nhiệm cho sự đối xứng này? Các hạt không đơn lẻ mà tương tác với nhau. Những tương tác này tiêu thụ năng lượng và ảnh hưởng đến sự ổn định của chất rắn, do đó các hạt tìm cách thích nghi với bản thân để giảm thiểu sự mất mát năng lượng này.

Vì vậy, bản chất bên trong của chúng khiến chúng đặt mình vào một sự sắp xếp không gian ổn định nhất. Ví dụ, đây có thể là nguyên tử mà lực đẩy giữa các ion có điện tích bằng nhau là nhỏ nhất, hoặc trong đó một số nguyên tử - chẳng hạn như nguyên tử kim loại - cũng chiếm thể tích lớn nhất có thể trong bao bì của chúng.

Từ "tinh thể" có một ý nghĩa hóa học có thể được hiểu sai cho các cơ thể khác. Về mặt hóa học, nó đề cập đến một cấu trúc có trật tự (về mặt vi mô), ví dụ, có thể bao gồm các phân tử DNA (một tinh thể DNA).

Tuy nhiên, nó thường được sử dụng sai khi dùng để chỉ bất kỳ vật thể hoặc bề mặt bằng thủy tinh nào, chẳng hạn như gương hoặc chai lọ. Không giống như các tinh thể thật, thủy tinh bao gồm một cấu trúc vô định hình (rối loạn) của silicat và nhiều chất phụ gia khác.

Kết cấu

Trong hình trên, một số viên ngọc lục bảo được minh họa. Cũng giống như những thứ này, nhiều khoáng chất, muối, kim loại, hợp kim và kim cương khác thể hiện cấu trúc tinh thể; nhưng, thứ tự của nó có mối quan hệ gì với tính đối xứng?

Nếu một tinh thể, mà các hạt của nó có thể được quan sát bằng mắt thường, được áp dụng các phép đối xứng (đảo ngược nó, xoay nó theo các góc khác nhau, phản chiếu nó trên một mặt phẳng, v.v.), thì người ta sẽ thấy rằng nó vẫn nguyên vẹn trong mọi chiều không gian.

Điều ngược lại xảy ra đối với chất rắn vô định hình, từ đó các thứ tự khác nhau có được bằng cách đưa nó vào một phép toán đối xứng. Hơn nữa, nó thiếu các mô hình lặp lại cấu trúc, cho thấy sự ngẫu nhiên trong phân bố các hạt của nó.

Đơn vị nhỏ nhất tạo nên mô hình cấu trúc là gì? Trong hình trên, chất rắn kết tinh đối xứng trong không gian, trong khi chất vô định hình thì không.

Nếu các hình vuông được vẽ để bao quanh các quả cầu màu cam và các phép toán đối xứng được áp dụng cho chúng, thì sẽ thấy rằng chúng tạo ra các phần khác của tinh thể.

Ở trên được lặp lại với các hình vuông nhỏ hơn và nhỏ hơn, cho đến khi tìm được hình không đối xứng; kích thước đứng trước nó theo định nghĩa là ô đơn vị.

Ô đơn vị

Ô đơn vị là biểu thức cấu trúc tối thiểu cho phép tái tạo hoàn chỉnh chất rắn kết tinh. Từ đó có thể lắp ráp kính, di chuyển kính theo mọi hướng trong không gian.

Nó có thể được coi là một ngăn kéo nhỏ (thân cây, xô, thùng chứa, v.v.) nơi các hạt, đại diện bằng hình cầu, được đặt theo mô hình quả trám. Kích thước và hình dạng của hộp này phụ thuộc vào độ dài của các trục của nó (a, b và c), cũng như các góc giữa chúng (α, β và γ).

Đơn giản nhất của tất cả các ô đơn vị là ô có cấu trúc hình khối đơn giản (hình trên (1)). Trong đó, tâm của các hình cầu chiếm các góc của hình lập phương, bốn ở đáy và bốn ở trần.

Theo cách sắp xếp này, các khối cầu chỉ chiếm 52% tổng thể tích của khối lập phương, và vì bản chất là chân không nên không có nhiều hợp chất hoặc nguyên tố áp dụng cấu trúc này.

Tuy nhiên, nếu các quả cầu được sắp xếp trong cùng một hình lập phương sao cho một khối chiếm tâm (lập phương tâm ở phần thân, bcc), thì sẽ có cách đóng gói gọn gàng và hiệu quả hơn (2). Bây giờ các khối cầu chiếm 68% tổng thể tích.

Mặt khác, trong (3) không có hình cầu nào chiếm tâm của hình lập phương mà là tâm của các mặt của nó và tất cả đều chiếm tới 74% tổng thể tích (lập phương tâm diện, cc).

Do đó, có thể đánh giá cao rằng đối với cùng một khối lập phương có thể thu được các cách sắp xếp khác nhau, thay đổi cách thức mà khối cầu được đóng gói (ion, phân tử, nguyên tử, v.v.).

Các loại

Cấu trúc tinh thể có thể được phân loại theo hệ thống tinh thể của chúng hoặc bản chất hóa học của các hạt của chúng.

Ví dụ, hệ lập phương là phổ biến nhất, và nhiều chất rắn kết tinh bị chi phối bởi nó; tuy nhiên, hệ thống tương tự áp dụng cho cả tinh thể ion và tinh thể kim loại.

Theo hệ thống kết tinh của nó

Trong hình trước, bảy hệ tinh thể chính được biểu diễn. Có thể lưu ý rằng thực sự có mười bốn trong số này, là sản phẩm của các hình thức đóng gói khác cho cùng hệ thống và tạo nên mạng Bravais.

Từ (1) đến (3) là những tinh thể có hệ tinh thể lập phương. Trong (2) quan sát thấy (bởi các sọc xanh lam) quả cầu ở tâm và ở các góc tương tác với tám mặt hàng xóm, vì vậy các quả cầu có số phối trí là 8. Và trong (3) số phối hợp là 12 (để xem nó, bạn cần sao chép khối lập phương theo bất kỳ hướng nào).

Phần tử (4) và (5) tương ứng với các hệ tứ giác đơn giản và có tâm. Không giống như hình khối, trục c của nó dài hơn trục a và b.

Từ (6) đến (9) là các hệ trực thoi: từ đơn giản và có tâm ở các cơ sở (7), đến các hệ có tâm ở thân và các mặt. Trong những α, β và γ này là 90º, nhưng tất cả các cạnh có độ dài khác nhau.

Hình (10) và (11) là các tinh thể đơn tà và (12) là hình tam giác, hình cuối cùng trình bày các bất đẳng thức theo mọi góc và trục của nó.

Phần tử (13) là hệ hình thoi, tương tự như hệ lập phương nhưng có góc γ khác 90º. Cuối cùng là các tinh thể lục giác

Chuyển vị của các phần tử (14) bắt nguồn từ hình lăng trụ lục giác được vạch bởi các đường chấm màu xanh lục.

Theo bản chất hóa học của nó

- Nếu tinh thể được tạo thành từ các ion thì chúng là tinh thể ion có trong các muối (NaCl, CaSO ₄ , CuCl ₂ , KBr, v.v.)

- Các phân tử như glucose dạng tinh thể phân tử (bất cứ khi nào chúng có thể); trong trường hợp này, các tinh thể đường nổi tiếng.

- Những nguyên tử mà liên kết của chúng về bản chất là dạng tinh thể cộng hoá trị. Đó là những trường hợp của kim cương hoặc cacbua silic.

- Tương tự như vậy, các kim loại như vàng có cấu trúc hình khối đặc, tạo thành các tinh thể kim loại.

Ví dụ

K

NaCl (hệ lập phương)

ZnS (wurtzite, hệ lục giác)

CuO (hệ đơn tà)

Người giới thiệu

1. Quimitube. (2015). Tại sao "tinh thể" không phải là tinh thể. Được lấy vào ngày 24 tháng 5 năm 2018, từ: quimitube.com
2. Sách báo chí. 10.6 Cấu trúc mạng trong chất rắn tinh thể. Được lấy vào ngày 26 tháng 5 năm 2018, từ: opentextbc.ca
3. Trung tâm tài nguyên học thuật Crystal Structures. . Được lấy vào ngày 24 tháng 5 năm 2018, từ: web.iit.edu
4. Minh. (2015, ngày 30 tháng 6). Các loại cấu trúc tinh thể. Truy cập ngày 26 tháng 5 năm 2018, từ: crystalvisions-film.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 31 tháng 1 năm 2018). Các loại tinh thể. Được lấy vào ngày 26 tháng 5 năm 2018, từ: thinkco.com
6. KHI. (2007). Cấu trúc tinh thể. Lấy ngày 26 tháng 5 năm 2018, từ: folk.ntnu.no
7. Paweł Maliszczak. (Ngày 25 tháng 4 năm 2016). Những tinh thể ngọc lục bảo thô sơ từ Thung lũng Panjshir Afghanistan. . Được truy cập ngày 24 tháng 5 năm 2018, từ: commons.wikimedia.org
8. Napy1kenobi. (Ngày 26 tháng 4 năm 2008). Mạng lưới Bravais. . Truy cập ngày 26 tháng 5 năm 2018, từ: commons.wikimedia.org
9. Người dùng: Sbyrnes321. (Ngày 21 tháng 11 năm 2011). Tinh thể hoặc vô định hình. . Truy cập ngày 26 tháng 5 năm 2018, từ: commons.wikimedia.org